專利名稱：風輪機轉子葉片的制作方法
風輪機轉子葉片本發明涉及一種風輪機轉子葉片。具體地，本發明涉及這樣一種風輪機葉片，這種風輪機葉片具有用于改變葉片的空氣動力學表面和彎度(camber)以便減輕作用在風輪機轉子上的負載的裝置。現代風輪機在操作期間受到控制，以便優化風輪機在不同操作狀況下的性能。不同的操作狀況可由于風速和陣風的變化而出現，所述陣風是風速的局部快速變化。已知的是通過使轉子的葉片變槳來調節水平軸風輪機的轉子的旋轉速度。這通常通過使葉片繞其縱向軸線轉動以影響轉子葉片的空氣動力學迎角來實現，這是用于變槳控制風輪機以及主動失速控制風輪機的方法。風輪機由于風力狀況而經受高度易變性質的負載。在現代風輪機中，由于轉子通常能夠控制其變槳角，因此變槳不僅可以用于控制轉子的速度，而且還可用于減少葉片上負載的變化。然而，由于現代風輪機葉片的長度大，并且繞變槳軸線旋轉的質量的相關慣量高，所以葉片變槳機構不能理想地對在短時間段內出現的風速變化快速地作出反應。此外， 風輪機葉片的長度隨著新技術的出現而增大，并且葉片由于其更大的長度而變得更具有柔性。因此，在風輪機葉片的長度增加的情況下，當葉片變槳時，在具有葉片上的主要負載的葉尖處，存在改變變槳的較長時滯。此外，通過使用變槳系統來控制葉片上的負載可能是有問題的，因為在持續使用時，葉片變槳軸承可能會受到損壞。可通過這樣一種裝置來調節作用在風輪機轉子的葉片上的負載，該裝置例如通過能變形的后緣或能調節的襟翼來改變葉片的空氣動力學表面或形狀，所述能變形的后緣或能調節的襟翼可包括后緣襟翼、前緣襟翼、翼型、擾流器、縫翼和古奈襟翼(gurney flap) 0 這種空氣動力學裝置是有利的，這是因為這種空氣動力學裝置相比于整個風輪機葉片的尺寸而言是小的，因此這種空氣動力學裝置由于其相對小的慣量而能實現更快的響應時間。 W02008/132235中描述了一個具有能變形的后緣的風輪機葉片的實施例。然而，襟翼具有其自身的局限性，這是因為由于襟翼對于葉片上的升力改變的影響是小的，因而襟翼不能減輕全部負載。如上所述，風輪機轉子會經受各種負載。這些負載總體上可被分為兩類低頻高幅負載(所謂的IP振動)；以及高頻低幅負載。低頻高幅負載由于風力剪切(風速隨著地面上的高度增加而增加)、偏航錯誤(當轉子軸線與風力方向不對準時，風朝向轉子的交叉流動)以及塔架遮擋(由供轉子經由機艙進行安裝的塔架引起的流動減速導致的阻礙)而出現。高頻低幅負載由于例如紊流和葉片振動而出現。諸如后緣襟翼的裝置的缺陷在于，這種裝置不能有效減輕源自低頻高幅負載的高幅振動。本發明的目的在于提供這樣一種轉子葉片，這種轉子葉片既能夠減輕低頻高幅負載又能減輕高頻低幅負載。根據本發明，提供了一種風輪機葉片，這種風輪機葉片沿縱向方向從根端延伸到尖端并且沿橫向于所述縱向方向的翼弦方向限定前緣和后緣之間的空氣動力學翼型剖面，
4該空氣動力學翼型剖面具有沿所述翼弦方向的有效彎度；所述風輪機葉片包括葉片本體；第一裝置，該第一裝置用于改變所述葉片的空氣動力學表面或形狀，所述第一裝置相對于所述葉片本體的位置和/或運動由第一致動機構控制；第二裝置，該第二裝置用于改變所述翼型剖面的有效彎度；其中，在使用時，所述第一裝置以最高達第一最大頻率的頻率改變所述葉片的所述空氣動力學表面或形狀，并且所述第二裝置以最高達第二最大頻率的頻率改變所述翼型剖面的有效彎度，所述第二最大頻率大于所述第一最大頻率。因為第一裝置能減輕低頻高幅負載并且第二裝置能減輕高頻低幅負載，所以本發明克服了與現有技術有關的問題。翼型剖面的彎度或中弧線(mean camber line)是這樣的曲線，該曲線由翼型剖面的上表面和下表面中間的線限定。翼型剖面的彎度影響翼型上的空氣流，并因此影響翼型所產生的升力。然而，根據本發明，如果一個裝置影響翼型上的空氣流而不使翼型剖面的物理幾何參數發生變化，那么這將被稱為有效彎度的變化。用于改變所述翼型剖面的有效彎度的所述第二裝置可改變所述葉片的所述空氣動力學表面或形狀，并且所述第二裝置相對于所述葉片本體的位置和/或運動可由第二致動機構控制。所述第一裝置可以進行操作，以最高達IHz的頻率來改變所述葉片的所述空氣動力學表面或形狀。所述第二裝置可以進行操作，以最高達15Hz的頻率來改變所述翼型剖面的有效彎度。所述第一裝置的弦長可在所述風輪機葉片的弦長的5%至50%之間。所述第二裝置的弦長可小于所述風輪機葉片的弦長的10%。第一裝置和第二裝置的弦長是指這些裝置的邊緣之間沿翼弦方向的距離，即，每個裝置的前端和后端之間的距離。所述第二裝置的弦長可最長達所述第一裝置的弦長的50%。所述第一裝置和所述第二裝置可彼此相鄰地設置在所述后緣上。所述第一裝置和所述第二裝置形成所述后緣的一部分，并且所述第一裝置和所述第二裝置可彼此分離地設置在所述后緣上。所述第一裝置可形成所述后緣的一部分，并且所述第一裝置可圍繞所述第二裝置。所述第一裝置可以是后緣襟翼或能變形的后緣。所述第一裝置和所述第二裝置可具有沿所述風輪機葉片的前緣方向的前端以及沿所述風輪機葉片的后緣方向的后端；其中，所述第一裝置的所述前端被連接到所述葉片本體以相對于所述葉片本體旋轉；并且所述第二裝置的所述前端被連接到所述第一裝置的所述后端以相對于所述第一裝置旋轉。控制所述第一裝置的位置和/或運動的所述第一致動機構可以是氣動致動機構。控制所述第一裝置的位置和/或運動的所述第一致動機構可以是熱電致動器或形狀記憶合金致動器。所述第二裝置可以是后緣襟翼或能變形的后緣。所述第二裝置可包括被設置成從所述翼型剖面的表面凸出的微凸塊，該微凸塊被定位在與所述后緣相距弦長的10%的距離內。所述第二裝置可包括流體噴射或吸入機構，該流體噴射或吸入機構設置成在與所述后緣相距弦長的10%的距離內從所述翼型剖面的表面噴射或吸入流體。所述第二裝置可包括電極，所述電極在與所述后緣相距弦長的10%的距離內位于所述風輪機葉片的外表面上；其中，所述電極被施加電壓，以在這些電極之間產生等離子體。優選地，沿所述風輪機葉片的縱向方向設置有多個所述第一裝置。優選地，沿所述風輪機葉片的縱向方向設置有多個所述第二裝置。本發明可以被實施為風輪發電機，這種風輪發電機具有至少兩個根據前述權利要求中任一項所述的葉片。優選地，所述風輪發電機是水平軸風輪發電機。現將以實施例的方式參考附圖來描述本發明，附圖中
圖1示出了風輪機葉片的剖面的第一實施例；圖2示出了風輪機葉片的剖面的第一實施例；圖3是示出本發明對作用在風輪機轉子上的負載的影響的圖；圖4示出了處于駐車狀況下的風輪機葉片的剖面；圖5示出了處于低速狀況下的風輪機葉片的剖面；圖6示出了位于后緣附近的氣動致動器的實施例；圖7a和圖7b示出了風輪機葉片的剖面的第二實施例；圖8示出了位于后緣附近的風輪機葉片的剖面的第三實施例；圖9a、圖9b和圖9c示出了位于后緣附近的風輪機葉片的剖面的第四實施例；圖IOa和圖IOb示出了風輪機葉片的剖面的第五實施例；以及圖11a、圖lib、圖11c、圖Ild和圖lie示出了不同配置的風輪機葉片的平面圖。圖1示出了風輪機葉片的剖面的第一實施例。在該實施例中，葉片區段10由葉片本體11、變形部(morphing part) 12和快速后緣襟翼13形成。在該實施例中，變形部12是第一裝置，后緣襟翼13是第二裝置。葉片的前緣被標記為14，后緣被標記為15，壓力側被標記為16，并且吸入側被標記為17。在葉片區段10的前緣14處設置有皮托管18，用于監測葉片區段10的局部壓力、相對風速以及迎角。葉片區段內設置有用于對皮托管18進行信號收集的控制器19。致動器功率控制單元被標記為20，該致動器功率控制單元用于向致動器(未示出)提供功率以便使變形部12和后緣襟翼13運動。圖2示出了變形部12和后緣襟翼13在使用期間如何操作。變形部12相對于葉片本體11撓曲，并且后緣襟翼13相對于變形部12和葉片本體11撓曲。在如圖1和圖2 所示的第一實施例中，變形部12的前端直接連接至葉片本體11，并且相對于該葉片本體撓曲。后緣襟翼13在前端安裝到變形部12的后端，并且相對于該變形部撓曲。葉片本體11 是風輪機葉片11的剛性部分，并且可形成結構化翼梁的一部分。在該實施例中，變形部12的弦長是葉片區段10的弦長的30%。在該實施例中，后緣襟翼13的弦長是葉片區段10的弦長的5%。變形部12以0. IHz的頻率操作，但是還可以以最高達IHz的頻率操作。變形部12關于其平衡位置在+/-15度的運動范圍內操作，但是還可以關于其平衡位置在+/-25度的運動范圍操作。后緣襟翼13以最高達IOHz的頻率操作，在其平衡位置的每個方向上運動3度。
在如圖1和圖2所述的第一實施例中，示出了變形部12和后緣襟翼13，但是引起葉片的彎度或有效彎度發生變化的其他裝置也是可能的，如將在下文的其他實施例中所述的那樣。葉片區段10的升力系數Cl被定義為
權利要求
1.一種風輪機葉片，該風輪機葉片沿縱向方向從根端延伸到尖端并且沿橫向于所述縱向方向的翼弦方向限定前緣和后緣之間的空氣動力學翼型剖面，該空氣動力學翼型剖面具有沿所述翼弦方向的有效彎度；所述風輪機葉片包括葉片本體；第一裝置，該第一裝置用于改變所述葉片的空氣動力學表面或形狀，所述第一裝置相對于所述葉片本體的位置和/或運動由第一致動機構控制；第二裝置，該第二裝置用于改變所述翼型剖面的有效彎度；其中，在使用時，所述第一裝置以最高達第一最大頻率的頻率改變所述葉片的所述空氣動力學表面或形狀，并且所述第二裝置以最高達第二最大頻率的頻率改變所述翼型剖面的有效彎度，所述第二最大頻率大于所述第一最大頻率。
2.根據權利要求1所述的風輪機葉片，其中，用于改變所述翼型剖面的有效彎度的所述第二裝置改變所述葉片的所述空氣動力學表面或形狀；所述第二裝置相對于所述葉片本體的位置和/或運動由第二致動機構控制。
3.根據權利要求1或2所述的風輪機葉片，其中，所述第一裝置以最高達IHz的頻率改變所述葉片的所述空氣動力學表面或形狀。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述第二裝置以最高達 15Hz的頻率改變所述翼型剖面的有效彎度。
5.根據前述權利要求中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述第一裝置的弦長在所述風輪機葉片的弦長的5%至50%之間。
6.根據前述權利要求中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述第二裝置的弦長小于所述風輪機葉片的弦長的10%。
7.根據權利要求1至4中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述第二裝置的弦長最長達所述第一裝置的弦長的50%。
8.根據前述權利要求中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述第一裝置和所述第二裝置彼此相鄰地設置在所述后緣上。
9.根據權利要求1至7中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述第一裝置和所述第二裝置形成所述后緣的一部分，并且所述第一裝置和所述第二裝置彼此分離地設置在所述后緣上。
10.根據權利要求1至7中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述第一裝置形成所述后緣的一部分，并且所述第一裝置圍繞所述第二裝置。
11.根據前述權利要求中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述第一裝置是后緣襟翼或能變形的后緣。
12.根據權利要求11所述的風輪機葉片，所述第一裝置和所述第二裝置具有沿所述風輪機葉片的前緣方向的前端以及沿所述風輪機葉片的后緣方向的后端；其中，所述第一裝置的所述前端被連接到所述葉片本體以相對于所述葉片本體旋轉；并且所述第二裝置的所述前端被連接到所述第一裝置的所述后端以相對于所述第一裝置旋轉。
13.根據權利要求11或12所述的風輪機葉片，其中，控制所述第一裝置的位置和/或運動的所述第一致動機構是氣動致動機構。
14.根據權利要求11、12或13所述的風輪機葉片，其中，控制所述第一裝置的位置和/ 或運動的所述第一致動機構是熱電致動器或形狀記憶合金致動器。
15.根據前述權利要求中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述第二裝置是后緣襟翼或能變形的后緣。
16.根據權利要求1至11中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述第二裝置包括設置成從所述翼型剖面的表面凸出的微凸塊，該微凸塊被定位在與所述后緣相距弦長的10%的距離內。
17.根據權利要求1至11中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述第二裝置包括流體噴射或吸入機構，該流體噴射或吸入機構設置成在與所述后緣相距弦長的10%的距離內從所述翼型剖面的表面噴射或吸入流體。
18.根據權利要求1至11中任一項所述的風輪機葉片，其中，所述第二裝置包括電極， 所述電極在與所述后緣相距弦長的10%的距離內位于所述風輪機葉片的外表面上；其中，所述電極被施加電壓，以在這些電極之間產生等離子體。
19.根據前述權利要求中任一項所述的風輪機葉片，其中，沿所述風輪機葉片的所述縱向方向設置有多個所述第一裝置。
20.根據前述權利要求中任一項所述的風輪機葉片，其中，沿所述風輪機葉片的所述縱向方向設置有多個所述第二裝置。
21.一種風輪發電機，該風輪發電機具有至少兩個根據前述權利要求中任一項所述的葉片。
全文摘要
一種風輪機葉片，該風輪機葉片沿縱向方向從根端延伸到尖端并且沿橫向于所述縱向方向的翼弦方向限定前緣和后緣之間的空氣動力學翼型剖面，該空氣動力學翼型剖面具有沿所述翼弦方向的有效彎度，所述風輪機葉片包括葉片本體；第一裝置，該第一裝置用于改變所述葉片的空氣動力學表面或形狀，所述第一裝置相對于所述葉片本體的位置和/或運動由第一致動機構控制；第二裝置，該第二裝置用于改變所述翼型剖面的有效彎度；其中，在使用時，所述第一裝置以最高達第一最大頻率的頻率改變所述葉片的所述空氣動力學表面或形狀，并且所述第二裝置以最高達第二最大頻率的頻率改變所述翼型剖面的有效彎度，所述第二最大頻率大于所述第一最大頻率。
文檔編號F03D7/02GK102459876SQ201080029143
公開日2012年5月16日 申請日期2010年3月25日 優先權日2009年4月30日
發明者D·卡斯塔格內特, T·貝倫斯, 卡斯藤·海因·韋斯特加德 申請人:維斯塔斯風力系統有限公司